KR20100026270A - Method and apparatus for multiplex detection based on dielectrophoresis and magnetophoresis - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method and a device for multiplex detection using dielectrophoresis and magnetophoresis are provided to improve separation efficiency by using dielectrophoretic force. CONSTITUTION: A method and a device for multiplex detection using dielectrophoresis and magnetophoresis comprises an electrode array(110), a fluid channel(100), and a magnetic field inclination generator(120). The electrode array comprises more than two electrodes. The fluid channel is arranged crossing the electrode array. The magnetic field inclination generator is arranged on or under the fluid channel to be not overlapped with the electrode array.

Description

유전영동 및 자기영동을 이용한 다중 탐지 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MULTIPLEX DETECTION BASED ON DIELECTROPHORESIS AND MAGNETOPHORESIS}METHOD AND APPARATUS FOR MULTIPLEX DETECTION BASED ON DIELECTROPHORESIS AND MAGNETOPHORESIS}

본 발명은 생물질을 비롯한 물질종의 다중 탐지, 분리를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 유전영동(DEP) 및 자기영동(MAP)의 기술을 이용하여 단일 시료 용액으로부터 마이크로 규모의 자성입자 혹은 이에 결합한 생물질을 다중 탐지, 분리하는 기술에 관한 것이다. The present invention relates to methods and apparatus for multiple detection and separation of species, including biomass. Specifically, the present invention relates to a technique for multiple detection and separation of micro-scale magnetic particles or biomaterials bound thereto from a single sample solution using the techniques of genophoresis (DEP) and magnetophoresis (MAP).

의약 분야에서의 진단 및 치료, 및 연구 분야에서 최종 목적 또는 다른 분석을 하기 위한 준비적인 도구로서 세포타입 또는 세포 내 성분의 분리가 요구된다. 현재 연구실 및 임상 실험실에서 사용되는 많은 종류의 세포 분류 방법이 있다. 다른 종류의 입자, 예를 들어 바이러스, 박테리아, 세포 및 다세포개체를 빠르게 분리하는 것은 의약 연구, 임상적 진단 및 환경 분석 영역의 다양한 응용분야에서 중심적 단계이다. 신약개발 및 단백질 연구에서 빠르게 성장하는 지식들은 연구자들로 하여금 단백질-단백질 상호작용, 세포 신호 경로, 및 대사 과정의 마커에 대한 더 많은 이해를 신속하게 얻도록 하고 있다. 이러한 정보는 단일 단백질 탐지 방 법, 예를 들어 ELISA 또는 웨스턴블로팅과 같은 전통적방법을 이용해서는 획득하기 어렵거나 불가능하다. Separation of cell types or intracellular components is required as a preparative tool for diagnosis and treatment in the medical field, and for final purposes or other assays in the field of research. There are many types of cell sorting methods currently used in laboratories and clinical laboratories. The rapid isolation of other kinds of particles, such as viruses, bacteria, cells and multicellular entities, is a central step in various applications in the fields of pharmaceutical research, clinical diagnostics and environmental analysis. Rapidly growing knowledge in drug discovery and protein research is enabling researchers to gain a greater understanding of protein-protein interactions, cell signaling pathways, and markers of metabolic processes. This information is difficult or impossible to obtain using single protein detection methods, eg, traditional methods such as ELISA or Western blotting.

미세유체공학은 종래의 분석에 관련된 시간 및 비용을 줄여주는 반면 재생성은 향상시키기 때문에, 최근 종래의 생물학적 작업을 랩-온-칩 시스템(lap-on-a-chip) 으로 전환시키려는 노력이 있다. 생물질의 특성 동정 및 준비 단계 효율을 향상시키는 대부분의 중요한 도구는 혼합물 내에서 목표 성분을 인지하고 선택적으로 조작, 상호작용 및/또는 격리시킬 수 있는 능력이다. 또한, 마이크로비드-기초 분석은 평평한 마이크로배열에 비하여 이점이 있다. 세척이 효율적이고, 암호화된 마이크로비드를 이용하여 다중 분석할 수 있으며, 표면 대비 부피 비가 크기 때문에 신호가 증폭되고, 미디어 내에서 마이크로비드가 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 분석 시간이 짧다. Because microfluidics reduces the time and cost associated with conventional analyses while improving reproducibility, recent efforts have been made to convert conventional biological operations into lap-on-a-chip systems. Characterization of biomass and most important tools to improve the efficiency of the preparation steps are the ability to recognize and selectively manipulate, interact and / or sequester the target component in the mixture. In addition, microbead-based assays have advantages over flat microarrays. Efficient cleaning, multiple analyzes using encrypted microbeads, short signal analysis time due to large signal to volume amplification and free movement of microbeads in the media.

분리 수행은 다음 세가지 특징으로 평가된다. "처리량(throughput)"은 단위 시간당 얼마나 많은 분석물의 동정 및 분류가 수행가능한 지를 나타내고, "순도"는 트래핑 영역 내에 목표 분석물의 분율을 의미한다. "회수율"은 주입된 목표 분석물이 트래핑 영역안으로 성공적으로 분류된 분율을 의미한다. 형광 활성화 세포 분류기(fluorescence activated cell sorter (FACS)), 유전영동 활성화 세포 분류기 dielectrophoretically activated cell sorter (DACS)) 자기활성화 세포 분류기(magnetically activated cell sorter (MACS))가 세포 분리 및 조작을 위하여 사용되어 왔다. 이러한 기술들은 세포 분리에 있어서 높은 특이성을 제공하지만, 단점이 있다. 예를 들어, FACS는 한정된 처리량을 가진다(대부분 103-104세포/초). 또한 분류 시간이 길고, 노즐의 기계적 스트레스가 상당하며, 따라서 세포 생존율이 감소하고, 세포 기능적 생존률도 감소된다. 또한 고비용이고 설계 및 작동이 복잡하다. Separation performance is assessed by three characteristics: "Throughput" refers to how many analytes can be identified and sorted per unit time, and "purity" refers to the fraction of the target analyte in the trapping region. "Recovery rate" means the fraction of the injected target analyte that has been successfully classified into the trapping region. Fluorescence activated cell sorter (FACS), dielectrophoretically activated cell sorter (DACS) and magnetically activated cell sorter (MACS) have been used for cell separation and manipulation. . These techniques provide high specificity for cell separation, but have drawbacks. For example, FACS has a limited throughput (mostly 103-104 cells / second). In addition, the sorting time is long, the mechanical stress of the nozzle is significant, so the cell viability is reduced, and the cellular functional survival rate is also reduced. It is also expensive and complex in design and operation.

WO 01/96857 A2는 반대되는 유전영동 힘 및 자기력의 균형을 이용하여 유체역학적 흐름 프로파일 내에서 조절하는, 분리될 입자의 위치 지정을 포함하는 방법에 관한 것이다. 이 경우 "프로그래밍"이라고 불리는, 분리하는 동안 시간에 따라 장을 변화시키는 과정이 분리 효율을 향상시키기 위하여 필수적이다. 또한 자기장의 프로그래밍도 유연성, 구별을 달성하기 위하여 필수적이다. 또한, 상기 시료 분석물 혼합물은 DEP 및 MAP장 안에서 충분한 시간을 보내야만 분석물이 담체 유체 흐름 프로파일 내에서 위치에 가깝게 이동할 수 있고 그에 의해 서로 분리될 수 있다. 그러한 DEP-MAP-FFF 장치의 제조에 포함된 문제는 전극 및 자극 배열이다. WO 01/96857 A2 relates to a method comprising the positioning of particles to be separated, which is controlled within a hydrodynamic flow profile using opposite electrophoretic and magnetic force balances. In this case, the process of changing the field over time during separation, called "programming", is essential to improve the separation efficiency. Magnetic field programming is also essential to achieve flexibility and differentiation. In addition, the sample analyte mixture must spend sufficient time in the DEP and MAP fields to allow the analytes to move closer to position in the carrier fluid flow profile and thereby be separated from each other. Problems involved in the manufacture of such DEP-MAP-FFF devices are the electrode and magnetic pole arrangements.

본 발명은 유체 채널 내에서 유전영동 힘 및 자기영동 힘을 이용하여, 높은 처리량, 순도 및 분리 효율을 달성하는 물질종 다중 탐지, 분리 방법 및 장치를 제공하고자 한다. 또한, 미세유체 장치 또는 랩-온-칩 에서 다중 탐지에 유용한 생물질 분리 방법 및 장치를 제공하고자 한다. Summary of the Invention The present invention seeks to provide a method and apparatus for multiplex detection and separation of species, which achieves high throughput, purity and separation efficiency by using the electrophoretic and magnetophoretic forces in the fluid channel. It is also an object of the present invention to provide a method and apparatus for separating biological materials useful for multiple detection in microfluidic devices or lab-on-chip.

본 발명은 둘 이상의 전극을 포함하는 전극 배열(110); 상기 전극배열을 가로지르는 방향으로 배치된 유체 채널(100); 및 상기 유체 채널의 위 또는 아래에서 상기 전극배열과 겹치지 않도록 배치된 자기장 경사 발생기(120)를 포함하는 물질종(species) 다중(multiplex) 탐지 장치를 제공한다.The present invention includes an electrode array (110) comprising two or more electrodes; A fluid channel 100 disposed in a direction crossing the electrode array; And a magnetic field gradient generator 120 disposed so as not to overlap with the electrode array above or below the fluid channel.

또한, 본 발명은 상기 장치를 이용하는 물질종(species) 다중 탐지 방법으로서, 둘 이상의 물질종을 포함하는 시료를 유체 채널로 주입하는 단계; 액체상 담체 미디어를 유체 채널로 주입하는 단계; 전극배열에 교류 전압을 인가하는 단계; 상기 전극배열로부터 발생한 유전영동 힘(dielectrophoretic force)으로 채널 내에서 상기 시료 내 물질종을 각각 상이한 높이로 부양시키는 단계; 및 상기 부양된 물질종을 채널 내 자기장 영역으로 이동시켜 자기영동 힘으로 일 위치에 트래핑하는 단계를 포함하는 물질종 다중 탐지 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for detecting multiple species using the device, comprising: injecting a sample comprising two or more species into a fluid channel; Injecting the liquid carrier media into the fluid channel; Applying an alternating voltage to the electrode array; Boosting the material species in the sample to different heights in a channel with a dielectrophoretic force generated from the electrode array; And moving the supported species to a magnetic field region in the channel and trapping at one position with a magnetophoretic force.

본 발명의 일실시예에 따른 분리 방법 및 장치를 이용하면, 낮은 비용으로 많은 양을 병행적으로 분리할 수 있고, 장치의 크기가 작고, 1회용이어서 임상적으로 실용적으로 이용할 수 있다. 상기 분리 방법 및 장치는 질병의 조기 발견을 위한 다종 표지자 검출 및 희귀 세포 동정과 같은 치료적 용도, 마이크로/나노 입자의 특성연구까지 생물학, 의약 및 재료공학 분야에서 전도유망하게 응용될 수 있다. By using the separation method and the device according to an embodiment of the present invention, a large amount can be separated in parallel at low cost, the size of the device is small, it is disposable and can be used clinically practical. The separation method and apparatus can be applied promisingly in the fields of biology, medicine and materials engineering to therapeutic uses such as detecting multiple markers for the early detection of diseases and identifying rare cells, as well as characterizing micro / nanoparticles.

유체 채널 내에서 유전영동 힘 및 자기영동 힘을 이용하는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 탐지, 분리 방법 및 장치는, 입자 타입에 따라 다른 유전영동 힘을 작용하여 입자를 다른 높이로 부양시키고, 자기장 변화가 발생한 영역으로 진입시켜 자기영동 힘으로 채널 내에서 특정 위치에 입자가 트래핑되도록 한다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 탐지, 분리 방법 및 장치는, 유전영동 힘으로 같은 크기의 입자가 분리되지 않는 경우, 유전영동 힘을 작용하여 같은 크기의 입자를 같은 높이로 부양시켜 배열시킨 후, 자기장 변화가 발생한 영역에서 자기 특성에 따라 정확히 분리되도록 할 수 있다.Multiple detection, separation method and apparatus according to an embodiment of the present invention using the electrophoretic and magnetophoretic forces in the fluid channel, by applying a different electrophoretic force depending on the particle type to support the particles to different heights, the magnetic field It enters the area where the change occurs and causes the particle to trap at a specific location within the channel with a magnetophoretic force. In addition, the multiple detection, separation method and apparatus according to an embodiment of the present invention, if the particles of the same size is not separated by the electrophoretic force, by arranging the particles of the same size to support the same height by acting the electrophoretic force After this, the magnetic field may be accurately separated according to the magnetic characteristics in the region where the magnetic field change occurs.

본 발명의 일실시예에 의한 다중 탐지, 분리 방법 및 장치에서, 유전영동 힘(Dielectrophoretic force, FDEP)은 인가된 교류 주파수에 의해 조절될 수 있다. 가장 단순한 형태의 유전영동 분리기(separator)는 전극 배열을 가로질러 흐르고 있는 미디어로부터 특정 입자를 단순히 분리해내는 것이다. 입자들은 전극 배열 위의 담체(carrier) 미디어로부터 주파수 및 유속에 기초한 속도로 분리된다. 이러한 방법으로, 네거티브 유전영동(DEP)을 경험하는 입자들을 포지티브 DEP를 경험하는 입자로부터 분리한다. 입자 타입에 따라 동일한 주파수를 인가했을 때 각각 다른 DEP힘을 나타낼 수 있다. 어떤 성분이 포지티브 DEP를 경험할 때, 그들은 전극 배열에 매우 가까워지는 방향으로 이동한다. 네거티브 DEP를 경험할 때에는, 그들은 전극 배열로부터 멀어지는 방향으로 이동한다. 이러한 부양 높이차는 성분들이 다른 높이에서 자기영동 영역으로 들어가도록 한다. In the multiple detection, separation method and apparatus according to one embodiment of the invention, the Dielectrophoretic force (F DEP ) can be adjusted by the applied alternating frequency. In its simplest form, a electrophoretic separator simply separates specific particles from the media flowing across an array of electrodes. The particles are separated at a rate based on frequency and flow rate from carrier media on the electrode array. In this way, particles that experience negative electrophoresis (DEP) are separated from particles that experience positive DEP. Depending on the particle type, different DEP forces can be exhibited when the same frequency is applied. When a component experiences positive DEP, they move in a direction very close to the electrode array. When experiencing negative DEP, they move away from the electrode array. This flotation height difference allows components to enter the magnetophoretic region at different heights.

본 발명의 일실시예에 의한 분리 방법 및 장치에서, 자기장 경사 발생기(magnetic field gradient generators, MFG)에 의하여 발생한 자기장 경사는 미세유체(microfluidic) 장치에서 자성 입자에 작용하는 자기 영동 힘(Magnetophoretic force, FMAP)의 원인이 된다. 대부분의 버퍼 용액과 같은 약한 반자성 미디어에서, 상자성 입자에 대한 자기영동 힘은

Figure 112008061796089-PAT00001
로 예상될 수 있다. (1)μo는 자유 공간의 투과성이고, B는 자속밀도, Δχ = χparticlemedium 는 미디어에 대한 입자의 자화율 차이(differential magnetic susceptibility), 그리고 Vm는 상자성 입자의 부피이다. 따라서, 힘은 자속밀도 B의 제곱의 기울기에 기초한다. 많은 응용에서, 초상자성 입자가 포화 상태에 있을 때, 총 자화부피
Figure 112008061796089-PAT00002
는 일정하고 초상자성 입자에 대한 자기영동 힘에 대한 방정식은
Figure 112008061796089-PAT00003
로 단순 화될 수 있다. 여기에서 msat 는 상기 입자의 포화 자화정도이다. 초상자성 입자에 대한 힘의 방향 및 크기가 인가된 자기장의 경사에 의해 조절되기 때문에, 자기영동 분리 장치는 이러한 파라미터를 정확하게 조절할 수 있도록 설계될 수 있다. In the separation method and apparatus according to an embodiment of the present invention, the magnetic field gradient generated by magnetic field gradient generators (MFG) is applied to the magnetophoretic force, which acts on the magnetic particles in the microfluidic device. F MAP ). In weak diamagnetic media, such as most buffer solutions, the magnetophoretic forces for paramagnetic particles
Figure 112008061796089-PAT00001
Can be expected. (1) μ o is the permeability of free space, B is the magnetic flux density, Δχ = χ particlemedium is the differential magnetic susceptibility to the media, and V m is the volume of paramagnetic particles. Therefore, the force is based on the slope of the square of the magnetic flux density B. In many applications, the total magnetization volume when the superparamagnetic particles are in saturation
Figure 112008061796089-PAT00002
Is a constant, the equation for the magnetophoretic forces for superparamagnetic particles is
Figure 112008061796089-PAT00003
Can be simplified. Where m sat is the degree of saturation magnetization of the particles. Since the direction and magnitude of the force on the superparamagnetic particles are controlled by the inclination of the applied magnetic field, the magnetophoretic separation device can be designed to precisely control these parameters.

MFG를 통하여 생성된 자기장 경사의 방향 및 크기는 인가된 자기장(전형적으로 분리 영역에 근접한 외부 자석에 의해 제공) 및 MFG의 구조에 기초한다. MFG 구조의 적절한 파라미터는 MFG 재질, MFG의 크기 및 배열, 유체흐름 및 외부 자기장에 대한 MFG의 방향을 포함한다.The direction and magnitude of the magnetic field gradient generated through the MFG is based on the structure of the MFG and the applied magnetic field (typically provided by an external magnet in proximity to the isolation region). Suitable parameters of the MFG structure include the MFG material, the size and arrangement of the MFG, the flow of the MFG and the direction of the external magnetic field.

MFG 구성을 제조하는 재질은 장치 내 유체 미디어(예를 들어 버퍼)의 투과성과는 현저하게 다른 투과성을 가져야 한다. MFG 구성은 강자성 물질로부터 제조될 수 있다. 따라서, MFG 구성은 철, 코발트, 니켈 사마리움, 디스포리움, 가돌리니움, 또는 함께 강자성 물질을 형성하는 다른 구성요소들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 재질은 순물질(예를 들어 니켈 또는 코발트)일 수 있고, 또는 구리, 망간 및/또는 주석의 합금과 같은 강자성 합금일 수 있다. 적절한 강자성 합금의 예는 Heusler합금(65% 구리, 25% 망간 및 10% 알루미늄), 퍼말로이(Permalloy, 55% 철 및 45% 니켈), 수퍼말로이(Supermalloy, 15.7% 철, 79% 니켈, 5% 몰리브덴 및 0.3% 망간) 및 μ-메탈 (77% 니켈, 16% 철, 5% 구리 및 2% 크롬)이 있다. 니켈-코발트 합금도 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는 비금속 강자성 재질, 철과 다른 금속산화물의 혼합물인 페라이트(ferrite)도 사용될 수 있다. The material from which the MFG composition is made must have a permeability significantly different from that of the fluid media (eg buffer) in the device. MFG compositions can be made from ferromagnetic materials. Thus, the MFG composition may comprise at least one of iron, cobalt, nickel samarium, disporium, gadolinium, or an alloy of other components that together form a ferromagnetic material. The material may be a pure material (eg nickel or cobalt) or may be a ferromagnetic alloy such as an alloy of copper, manganese and / or tin. Examples of suitable ferromagnetic alloys include Heusler alloys (65% copper, 25% manganese and 10% aluminum), Permalloy (55% iron and 45% nickel), Supermalloy (15.7% iron, 79% nickel, 5 % Molybdenum and 0.3% manganese) and μ-metal (77% nickel, 16% iron, 5% copper and 2% chromium). Nickel-cobalt alloys may also be used. In some embodiments, ferrite, which is a mixture of nonmetal ferromagnetic materials, iron and other metal oxides, may also be used.

본 발명의 일실시예에 의한 다중 탐지, 분리 방법 및 장치에서, 일반적으로 라벨 및 분석물은 그들의 상대적 유전율, 투과성, 및 부피에 기초하여 라벨-분석물 복합물에 유전 특성 및 자성특성을 부여할 것이다. 여기에서 설명되는 분리는 유전영동 및 자기영동 힘에 의한 부양 및 트래핑에 기초한 것이므로, DEP-MAP 분리기에서 라벨-분석물 복합물들은 다른 분석물을 포함하는 라벨의 유출(elution) 특성과 다른 유출 특성을 나타낸다. In multiple detection, separation methods and apparatus according to one embodiment of the present invention, labels and analytes will generally impart dielectric and magnetic properties to the label-analyte complex based on their relative permittivity, permeability, and volume. . Since the separation described herein is based on flotation and trapping by electrophoretic and magnetophoretic forces, the label-analyte complexes in DEP-MAP separators have different effluent and other effluent characteristics of labels that contain other analytes. Indicates.

본 발명의 일실시예에 따른 방법은 라벨들이 그들의 DEP 힘(포지티브/네거티브)에 따라 구분되고 분리되도록 한다. 예를 들어, 다른 개수의 자성 라벨에 결합된 세포들은 분리되는 동안 다른 DEP힘을 나타낼 것이고, 그에 따라 구분, 동정, 분리가 가능해진다. 또다른 예로서, 분석물과 결합되지 않은 라벨들은 세포, 입자 분자 및 다른 목표 분석물과 결합된 라벨들로부터 분리될 수 있다.The method according to one embodiment of the invention allows the labels to be separated and separated according to their DEP forces (positive / negative). For example, cells bound to different numbers of magnetic labels will exhibit different DEP forces during separation, thus allowing for differentiation, identification, and separation. As another example, labels that are not associated with an analyte can be separated from labels associated with cells, particle molecules and other target analytes.

또한, 다른 형태의 라벨들로 구성된 "칵테일"이 제조될 수 있는데, 각 라벨 타입은 각각 다른 유전 및 자성 "핑거프린트"를 가진다. 혼합물 내 각각의 라벨 타입은 상이한 목표 분석물과의 결합 상태에 따라 독립적으로 구분, 분리, 동정 및 특성화될 수 있다. 그러한 라벨 칵테일은 단일 분리 단계에서 혼합물 내에 있는 다수의 분석물의 동시적 분석을 가능하도록 한다. In addition, "cocktails" consisting of different types of labels can be made, each label type having a different genetic and magnetic "fingerprint". Each label type in the mixture can be distinguished, separated, identified and characterized independently depending on the binding status with the different target analytes. Such label cocktails enable simultaneous analysis of multiple analytes in the mixture in a single separation step.

입자 그룹이 미세채널의 자기적 영역 내 특정 위치에 트래핑되는 단계 이전의 분석 시퀀스에서, 입자들의 유전 특성은 인가된 주파수에서 액체상으로부터 고체상의 자동 분리를 가능하게 한다. 상기 분리는 다양한 목적에 사용될 수 있다. 분석 성분으로부터 시료 잔해를 제거하는 것, 탐지 단계에서 배경 노이즈의 현저한 원인이 되는 시료 성분을 제거하는 것, 분석 대상은 아니면서 결과에 간섭할 수 있는 경쟁 결합 요소를 제거하는 것, 및 라벨, 분석물, 분석물 결합 요소, 및 라벨-결합 요소 결합체와 같은 결합되지 않은 물질종으로부터 결합된 물질종을 제거하는 것 등에 사용될 수 있다.In the analysis sequence before the step where the group of particles is trapped at a specific position in the magnetic region of the microchannel, the dielectric properties of the particles enable automatic separation of the solid phase from the liquid phase at the applied frequency. The separation can be used for a variety of purposes. Removal of sample debris from analyte, removal of sample components that are a significant cause of background noise in the detection phase, removal of competing binding elements that are not analyte and may interfere with results, and labeling, analysis Such as removing bound species from unbound species, such as water, analyte binding elements, and label-binding element binders.

특정 분석 또는 분석의 조합에서의 특정 기능은 분석 특성 및 분석 프로토콜에 따라 달라질 것이다. 자성있는 또는 자화가능한 물체의 조작이란, 자성있는 또는 자화가능한 물체의 이동, 다른 형태의 자성있는 또는 자화가능한 물체들의 혼합, 다른 형태의 자성있는 또는 자화가능한 물체들을 서로로부터 분리하는 것, 자성있는 또는 자화가능한 물체를 장치의 표면으로부터 멀어지게 하거나 표면으로 끌어당기는 것을 의미한다. 본 발명의 실시예에 따른 장치 및 방법은 자성있는 또는 자화가능한 물체의 조작을 자성있는 또는 자화 가능한 물체의 시료 유체 내 존재여부를 탐지하거나 농도를 결정하는 것과 조합하여 사용할 수 있다. 종래의 기술은 이러한 분리 및 탐지를 느린 속도, 복잡한 접근 방법으로 제공한 반면, 본 발명은 다수의 라벨을 단일 시료 용액으로부터 더 빠른 속도로 분리, 탐지할 수 있게 한다. 빠른 분석은 특히 다수 바이러스의 탐지에 필요하다.The particular function in a particular assay or combination of assays will depend on the assay characteristics and assay protocol. Manipulating magnetic or magnetizable objects means moving magnetic or magnetizable objects, mixing different forms of magnetic or magnetizable objects, separating different types of magnetic or magnetizable objects from each other, magnetic or It means to move the magnetizable object away from the surface of the device or to the surface. Apparatus and methods in accordance with embodiments of the present invention can be used in combination with the manipulation of a magnetic or magnetizable object in combination with detecting the presence or determining the concentration of a magnetic or magnetizable object in a sample fluid. While the prior art provides this separation and detection in a slow, complex approach, the present invention allows for the separation and detection of multiple labels at a faster rate from a single sample solution. Fast analysis is especially necessary for the detection of many viruses.

DEP는 물질종을 조작 및 분리하기 위하여 매우 효율적인 방법이다. 이 기술은 주로 세포, 세포 기관 및 기타 입자(예를 들어 세포 내용물 및 그 막)에 적용된다. 하나의 입자가 전기장에 놓여지면, 미디어와 비교하여 입자의 상대적인 유전율 및 전도도로 인하여 전하가 유도된다. 이러한 과정을 분극이라고 한다. 외부 전기장이 균일하지 않으면 입자는 정전기력에 의하여 움직일 수 있다. 특히, 교류 전기 장에서는 입자 분극이 주파수 의존적이어서, 유도되는 힘 및 그에 따른 입자의 이동이 조정될 수 있다. 이것을 유전영동(DEP)이라고 한다. 유도되는 힘을 변화시킴으로써, 입자는 종래 DEP에 의하여 가까워지거나 반발할 수 있고, 또는 진행파 DEP에 의하여 양방향으로 이동될 수 있다. DEP는 또한 다른 입자들을 동정하거나 분리하는데 사용될 수 있다. (예를 들어, 다른 종류의 박테리아, 살아있는 세포 또는 죽은 세포), DEP의 주요한 장점은 가동력 및 그에 따른 이동 형태가 단일 전기장에 의하여 조절될 수 있다는 것이다.DEP is a very efficient way to manipulate and isolate species. This technique mainly applies to cells, organelles and other particles (eg cell contents and membranes). When a particle is placed in an electric field, charge is induced due to the relative permittivity and conductivity of the particle compared to the media. This process is called polarization. If the external electric field is not uniform, the particles can move by the electrostatic force. In particular, in an alternating electric field the particle polarization is frequency dependent so that the induced force and thus the particle movement can be adjusted. This is called genetic electrophoresis (DEP). By varying the induced force, the particles can either approach or repel by the conventional DEP, or they can be moved in both directions by the traveling wave DEP. DEP can also be used to identify or separate other particles. (E.g., other types of bacteria, living cells or dead cells), the main advantage of DEP is that the mobility and hence the mode of transport can be controlled by a single electric field.

그러나, DEP 수행은 예를 들어 버퍼와 같은 유체, 특히 이온강도에 매우 민감하다. 큰 DEP힘은 오직 낮은 이온 강도의 미디어에서만 획득될 수 있다. 반면 혈액과 같은 실제 시료의 이온 강도는 훨씬 높다. 더욱이, DEP힘 강도가 대개 입자의 부피에 비례하기 때문에 세포와 같은 큰 입자의 조작에만 적절하고, 작은 분자를 조작하기에는 너무 작다. 또한, 바이오 분석물질의 DEP는 분석물질의 생물학적 특성을 반드시 반영하는 것이 아니고 물리적 영향이 크다. 따라서, 복잡한 환경에서 특정한 특이성을 가지고 분석물을 조작하는 것이 어려울 수 있다. However, DEP performance is very sensitive to fluids such as buffers, in particular ionic strength. Large DEP forces can only be obtained in low ionic strength media. On the other hand, the ionic strength of real samples such as blood is much higher. Moreover, since DEP force strength is usually proportional to the volume of the particles, it is only suitable for the manipulation of large particles such as cells and is too small to manipulate small molecules. In addition, DEP of a bioanalyte does not necessarily reflect the biological properties of the analyte, but has a large physical effect. Thus, it can be difficult to manipulate analytes with specific specificities in complex environments.

바이오 분석물 이동을 위한 또다른 방법은 자기영동(MAP)의 사용이다. 자성 입자는 자기영동 힘에 의하여 가동될 수 있다. 장점은 자성입자와 바이오 분석물 간의 생친화적 결합에 의하여 생물적 특이성이 유지된다는 것이다. 또다른 장점은 자기영동 힘은 미디어에 의하여 영향받지 않는다는 것이다. 대부분의 미디어는 자성 성분을 포함하지 않으므로, 자기 감지기를 탐지기능을 가진 마이크로시스템과 통합하는 것이 용이하고, 이는 랩-온-칩(LOC) 응용에 유용하다. Another method for bioanalyte migration is the use of magnetophoresis (MAP). Magnetic particles can be operated by magnetophoretic force. The advantage is that biospecificity is maintained by biocompatible binding between the magnetic particles and the bioanalyte. Another advantage is that the magnetophoretic force is not affected by the media. Since most media do not contain magnetic components, it is easy to integrate magnetic sensors with microsystems with detection, which is useful for lab-on-chip (LOC) applications.

맞물린(interdigitated) 전극 배열에 의하여 발생한 불균등한 전기장에서 중성 입자는 그 분극효과 때문에 이동한다. 이러한 현상이 유전영동이다. 본 발명이 일실시예는 라벨이 유전영동적으로 배열 혹은 분류되고, 그 후 자기장이 입자 상에 자화를 유도하는 경우 미세채널 내에서 경로를 변경할 수 있는 사실에 기초한 탐지 방법을 제공한다. In the uneven electric field generated by the interdigitated electrode arrangement, the neutral particles migrate because of their polarization effect. This phenomenon is genetic electrophoresis. One embodiment of the present invention provides a detection method based on the fact that the labels can be genetically arranged or sorted and then the path can be altered within the microchannels when the magnetic field induces magnetization on the particles.

단순 단일 탐지 방법으로부터는 단백질-단백질 상호작용, 세포 신호 전달 경로에 대한 메커니즘을 이해하기 매우 어렵기 때문에, 다중 탐지 기술이 필요하다. 본 발명은 DEP-MAP 기초한 다중 탐지 시스템에 관한 것이다. From a simple single detection method, multiple detection techniques are needed because it is very difficult to understand the mechanisms for protein-protein interactions, cellular signal transduction pathways. The present invention relates to a multiple detection system based on DEP-MAP.

본 발명의 일실시예는 하나의 시료 내의 분자 또는 세포를 구별하는 방법을 개시한다. 상기 방법은 유체역학 힘을 분자 또는 세포 상의 DEP힘으로 조정하여, 상기 분자 또는 세포를 유체 흐름 내 원하는 방향으로 선택적으로 이동할 수 있는 방법이다. 일실시예에서, 상기 원하는 방향은 분자 또는 세포를 유체흐름의 제1영역으로부터 다음 유체흐름 영역으로 이동시키는 것을 포함한다. 또다른 실시예에서, 상기 분자 또는 세포는 천연적으로 발생하는 DEP핑거프린트를 포함한다. 또다른 실시예에서, 분자 또는 세포는 DEP태그로 변형될 수 있다. DEP힘은 하나 또는 그 이상의 전극에 의하여 발생될 수 있다. 상기 방법은 미세 유체 장치에서 수행될 수 있다. 본 방법은 불균질한 혼합물로부터 다수의 라벨을 분류해낼 수 있도록 해준다. 본 방법은 신뢰성이 좋고 응용성이 좋다.One embodiment of the invention discloses a method of distinguishing molecules or cells in one sample. The method is a method in which hydrodynamic forces are adjusted to DEP forces on a molecule or cell, thereby selectively moving the molecule or cell in a desired direction in the fluid flow. In one embodiment, the desired direction includes moving the molecule or cell from the first region of the fluid flow to the next fluid flow region. In another embodiment, the molecule or cell comprises a naturally occurring DEP fingerprint. In another embodiment, the molecule or cell can be modified with a DEP tag. DEP forces may be generated by one or more electrodes. The method can be performed in a microfluidic device. The method allows the sorting of multiple labels from heterogeneous mixtures. This method is reliable and has good applicability.

유전영동적 조작을 위한 예시적 전극 배열은 맞물림 형태, 성 형태와 같은 어떤 형태도 가능하다. 일실시예에서, 전극 배열은 유리와 같은 지지 기재 상에 패 턴되어 있는 백금, 금, 크롬등과 같은 전도체 박막으로 구성된 평평한 배열일 수 있다. 이 배열은 공지의 광리소그래피 기술 및 전자빔(e beam) 패턴 기술에 의하여 제조될 수 있다. 이러한 전극배열은, 또는 다른 배열은 본 발명의 일실시예에 따른 분류기 내 DEP힘을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 전극들은 전기도금되거나 인쇄되거나 에칭되거나 챔버 벽에 부착될 수 있다. 또는 플로우 채널 내 또는 주위에 위치되어 신호 발생기와 연결되었을 때, 플로우 채널 내 불균등한 전기장을 생성할 수 있다. 일실시예에서, 담체 미디어로 사용되는 용액에 따라 절연층이 사용되거나 사용되지 않을 수 있다. 절연층은 SiO2, Si3N4 에 한정되지 않는다. Exemplary electrode arrangements for electrophoretic manipulations can be in any form, such as engagement form and sex form. In one embodiment, the electrode array may be a flat array consisting of a thin film of conductor, such as platinum, gold, chromium, etc., patterned on a supporting substrate such as glass. This arrangement can be manufactured by known photolithography techniques and electron beam (e beam) pattern techniques. Such an electrode arrangement, or other arrangement, may be used to provide DEP forces in the classifier according to one embodiment of the present invention. The electrodes can be electroplated, printed or etched or attached to the chamber wall. Or, when located in or around the flow channel and connected to the signal generator, may generate an uneven electric field in the flow channel. In one embodiment, an insulating layer may or may not be used, depending on the solution used as the carrier media. The insulating layer is not limited to SiO 2 , Si 3 N 4 .

자성 라벨을 이용한 종래의 면역분석 및 분리에서 자기장은 모든 라벨을 포획하기 위하여 사용되었고, 시료 내 존재하는 항원 양을 측정하기 위하여 형광 신호가 사용되었다. 그러나, 본 발명의 일실시예에서는 자기장은 미세 유체 채널 내에서 바이오 분자를 탐지하기 위하여 사용되었다. 또한 초전도 양자 간섭 장치(superconducting quantum interference device (SQUID))를 이용한 초민감한 자성 바이오센서가 면역분석을 위하여 개발되었지만, 이 방법의 단점은 결합된 자성 입자와 결합되지 않은 자성입자 간 구분에 기초한 단일 분석물 분석에만 한정된다는 것이다. 본 발명의 일실시예에서는 작은 부피의 시료들은 이종의 라벨 혼합물과 혼합되어 하나의 시료로부터 특정 분석물의 포획이 가능하다. 본 발명의 일실시예에서는 상이하고 더욱 특정한 분석물로 암호화된 다양한 크기의 자성 입자를 구별할 수 있다.In conventional immunoassays and separations with magnetic labels, magnetic fields were used to capture all labels and fluorescent signals were used to measure the amount of antigen present in the sample. However, in one embodiment of the present invention a magnetic field was used to detect biomolecules in the microfluidic channel. In addition, supersensitive magnetic biosensors using superconducting quantum interference devices (SQUIDs) have been developed for immunoassay, but the disadvantage of this method is a single analysis based on the distinction between bound and unbound magnetic particles. It is limited to water analysis only. In one embodiment of the present invention, a small volume of samples can be mixed with a heterogeneous label mixture to capture a particular analyte from one sample. In one embodiment of the present invention, it is possible to distinguish magnetic particles of various sizes encoded with different and more specific analytes.

트래핑 영역 내 강력한 자기장 경사를 형성하기 위하여, 자기장은 영구자석 또는 MFG에 적합화된 영구자석에 의해서 제공될 수 있다. 일실시예에서, 외부 자석은 영구 자석 또는 전자석일 수 있다(예를 들어 헬몰츠 코일(Helmholtz coil). 일반적으로, 전자석은 더 작은 자기장을 형성하지만, 매우 균등한 장을 형성하도록 설계될 수 있어 유리할 수 있다.In order to form a strong magnetic field gradient in the trapping region, the magnetic field may be provided by a permanent magnet or a permanent magnet adapted to MFG. In one embodiment, the external magnet may be a permanent magnet or an electromagnet (eg Helmholtz coil. In general, the electromagnet produces a smaller magnetic field but can be designed to form a very even field. May be advantageous.

영구자석의 트래핑 영역에서의 위치 및 방향은 영구 자석에 의하여 형성되는 자기장의 세기, 장의 균등성(즉, MFG 가 없을 때 트래핑 영역을 가로지르는 장의 균등성), 자석의 차원 및 형태 등에 의하여 결정될 수 있다. 일실시예에서, 상기 자석은 미세 유체 채널 위 및 아래에 위치할 수 있다. 일실시예는 트래핑 영역 위 또는 아래에 위치한 단극을 가지는 단일 자석을 이용한다. 다른 실시예에서는 트래핑 영역 위 또는 아래에 위치하고, 같은 극과의 거리가 동일한 다수의 자석을 이용한다. The position and direction in the trapping region of the permanent magnet may be determined by the strength of the magnetic field formed by the permanent magnet, the uniformity of the field (ie, the uniformity of the field across the trapping region in the absence of MFG), the dimension and shape of the magnet, and the like. In one embodiment, the magnet may be located above and below the microfluidic channel. One embodiment uses a single magnet with a single pole located above or below the trapping region. Another embodiment uses multiple magnets located above or below the trapping area and having the same distance to the same pole.

상기 기재된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 방법은 느린 유속에서 각각 다른 특성을 가지는 자성 입자들을 서로로부터 분리하는 것 뿐만 아니라, 처리량을 증가시키기 위하여 빠른 유속에서도 달성할 수 있는 강력하고 섬세한 분리 시스템이다. As described above, the method according to one embodiment of the present invention not only separates magnetic particles having different characteristics from each other at a slow flow rate, but also strong and delicate separation that can be achieved at high flow rates to increase throughput. System.

본 발명자들은 다양한 크기의 라벨을 분리하기 위한 미세 유체 장치를 설계하였다. 상기 미세 유체 장치는 세 가지 기능 및 각각의 단위를 포함한다: 집중된흐름 영역, 유전영동(DEP)영역, 및 자기영동(MAP)영역. 집중된 흐름 영역에서는, 상기 라벨들이 조절된 너비의 흐름으로 유체역학적으로 집중되고, DEP 영역에서는, 불균등한 전기장이 전극 배열에 의하여 발생되어 분리를 촉진하고 분리된 라벨들은 MAP 영역에 위치한 영구자석에 의하여 트래핑된다. 상기 DEP 영역 및 MAP 영역은 같은 미세 채널 내 두 개의 다른 위치에 위치한다. 라벨의 크기에 기초하여, 라벨 상에 작용하는 DEP힘은 다를 수 있다. 이것이 라벨들을 분리한다. DEP 힘으로 같은 크기의 라벨이 분리되지 않는 경우, DEP 힘을 작용하여 같은 크기의 라벨을 같은 높이로 부양시켜 배열시킨 후, MAP 영역에서 자기 특성에 따라 정확히 분리되도록 할 수 있다.We have designed a microfluidic device for separating labels of various sizes. The microfluidic device includes three functions and each unit: a concentrated flow region, a dielectric domain (DEP) region, and a magnetic domain (MAP) region. In the concentrated flow zone, the labels are hydrodynamically concentrated in a controlled width flow, while in the DEP zone, an unequal electric field is generated by the electrode array to facilitate separation and the separated labels are separated by permanent magnets located in the MAP zone. Trapped. The DEP region and the MAP region are located at two different positions in the same microchannel. Based on the size of the label, the DEP forces acting on the label may vary. This separates the labels. If the same size labels are not separated by the DEP force, the DEP force may be applied to float the labels of the same size to the same height, and then may be accurately separated according to the magnetic characteristics in the MAP region.

포지티브 DEP는 입자가 미디어보다 더 분극가능하여 입자가 더 높은 장 경사 영역을 향하여 끌릴 때 발생한다. 네거티브 DEP는 입자가 미디어보다 덜 분극가능하여 더 낮은 장 경사의 영역을 향해 끌릴 때 발생한다. Positive DEP occurs when the particles are more polarizable than the media so that the particles are attracted toward the higher inclined region. Negative DEP occurs when the particles are less polarizable than the media and are attracted towards areas of lower inclination.

자석이 미세채널 아래에 위치하여 전극 배열이 자석과 같은 쪽에 있을 때, 상기 장치는 "네거티브 DEP"모드 하에 있다고 표현된다. 이 자석 위치는 네거티브 DEP를 경험한 라벨들이 자석의 반대편 끝을 향해 이동하도록 촉진한다. 여기서 포지티브 DEP를 경험한 라벨들은 미세채널의 다른 절반을 향해 정렬된다. 유사하게, 자석이 전극 배열과 반대쪽에 있을 때에는, 포지티브 DEP 를 경험한 라벨들이 자석 상에 즉시 모인다. 반면, 네거티브 DEP를 경험한 라벨들은 가까운 자석 말단에 모이지 않고 더 멀리 움직인다. 이러한 자석과 전극 배열의 위치는 "포지티브 DEP"모드를 형성한다. 본 발명의 분리 방법을 수행하는 실시예로서 이러한 두 가지 다른 모드의 가능성이 가능하다. When the magnet is located under the microchannel so that the electrode array is on the same side as the magnet, the device is said to be under "negative DEP" mode. This magnet position promotes labels that have experienced negative DEP to move towards the opposite end of the magnet. Labels experiencing positive DEP here are aligned towards the other half of the microchannel. Similarly, when the magnet is on the opposite side of the electrode array, labels that have experienced positive DEP immediately gather on the magnet. Labels experiencing negative DEP, on the other hand, move further away without gathering at near magnet ends. The positions of these magnet and electrode arrays form a "positive DEP" mode. The possibility of these two different modes is possible as an embodiment of the separation method of the present invention.

상기 설명에서 "미세유체"라는 용어를 사용하고 있지만, 여기에서 설명된 원 칙 및 설계 특징은 더 큰 규모(밀리미터 또는 센티미터 규모 채널을 사용하는) 장치 및 시스템에 적용될 수 있다. 여기에서 하나의 채널 또는 위치(station)가 기재되어 있더라도, 상기 채널 또는 위치는 단일 기재 또는 통합 시스템의 다수 기재 상에서 평행 형태로 작동하도록 배열된 다수의 채널 또는 위치의 한 예일 수 있다. 미세유체 "시스템"은 하나 이상의 미세유체 장치 및 관련 유체 연결부, 전기적 연결부, 제어부 등을 포함할 수 있다. 미세유체 장치는 미세유체 차원의 하나 이상의 유체가 흐르는 통로, 예를 들어 채널의 존재를 포함한다. 자성 라벨링 기술은 상기 언급된 공정을 달성하기 위하여 수행되는 방법 중 하나이다. 상기에서 설명된 "자성 라벨" 또는 "라벨"은 자기적으로 민감한(susceptible) 고체상 입자로서, 상기 고체상 입자는 마이크로비드일 수 있다. 상기 자성의 마이크로비드가 단위 부피당 넓은 표면적을 가지기 때문에, 상대적으로 목표 입자, 세포 또는 분자("목표 분석물")가 결합할 수 있는 넓은 결합 사이트를 제공한다. 따라서, 표면이 변형된 자성에 민감한 라벨은 분석물 혼합물 내에서 특정 목표 분석물에 붙는 경향이 있다. "전극"은 모든 전기적 통로, 예를 들어 도체 배열을 의미한다.Although the term "microfluid" is used in the above description, the principles and design features described herein may be applied to larger scale devices and systems using millimeter or centimeter scale channels. Although one channel or station is described herein, the channel or location may be an example of multiple channels or locations arranged to operate in parallel on a single substrate or multiple substrates of an integrated system. The microfluidic "system" may include one or more microfluidic devices and associated fluidic connections, electrical connections, controls, and the like. Microfluidic devices include the presence of passages, eg channels, through which one or more fluids in the microfluidic dimension flow. Magnetic labeling technology is one of the methods performed to achieve the above-mentioned process. The "magnetic label" or "label" described above is a magnetically susceptible solid phase particle, which may be microbead. Because the magnetic microbeads have a large surface area per unit volume, they provide a relatively large binding site to which a target particle, cell or molecule (“target analyte”) can bind. Thus, magnetically sensitive labels with modified surfaces tend to stick to specific target analytes in the analyte mixture. "Electrode" means all electrical passages, eg conductor arrangements.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 장치에서 통합된 칩 상의 3 개의 구성요소를 보여준다. 구성요소 100은 유체 채널을 나타내고, 구성요소 110은 DEP힘을 제공하는 전극 배열을 나타낸다. 구성요소 120은 라벨 수집을 가능하게 하는 자기장 경사 발생기를 나타내고, 구성요소 130은 완전히 통합된 미세 유체 장치를 나타낸다. 자성입자는 구성요소 140으로 표시된다.1 shows three components on an integrated chip in an apparatus according to one embodiment of the invention. Component 100 represents a fluid channel and component 110 represents an electrode arrangement providing a DEP force. Component 120 represents a magnetic field gradient generator that enables label collection, and component 130 represents a fully integrated microfluidic device. Magnetic particles are represented by component 140.

상기 미세 유체 장치(130)는 기재(기재(180)는 사이에 있는 유체 채널 경계 를 한정하기 위하여 서로 연결된 하나 이상의 기재일 수 있다)를 포함한다. 시료 주입구(150)는 담체 미디어 주입구(170)와 유체로 연결된다. 도 1이 3개의 유체 주입구를 나타내고 있어도, 일실시예에 따른 장치는 단일 유체 주입구 및 플로우 채널을 포함할 수 있다. 배출구는 구성요소 160으로 표시된다.The microfluidic device 130 includes a substrate (substrate 180 may be one or more substrates connected to each other to define a fluid channel boundary therebetween). The sample inlet 150 is in fluid communication with the carrier media inlet 170. Although FIG. 1 shows three fluid inlets, the device according to one embodiment may include a single fluid inlet and a flow channel. The outlet is indicated by component 160.

일실시예에서, 기재(180)는 미세 유체 장치(130)의 여러 가지 형태(예를 들어, 채널, 챔버, 밸브 등)가 설계되는 절연(예를 들어, 유리 또는 폴리머), 또는 반도체성(예를 들어 실리콘 기재)일 수 있다. In one embodiment, substrate 180 is an insulating (eg glass or polymer), or semiconducting (eg, glass or polymer) in which various forms of microfluidic device 130 (eg, channels, chambers, valves, etc.) are designed. For example silicone based).

DEP는 불균등한 전기장에서 분극화 효과에 의해 야기된 전하 중성 물질의 이동이다. 상대적으로 용이한 전기장의 조작 및 통합 전자공학으로의 인터페이스 때문에, DEP는 특히 온-칩 라벨 조작에 이점이 있다. DEP힘은 물질종(예를 들어, 원핵세포, 진핵세포, 바이러스, 분자, 입자 및 다세포 개체)이 놓여있는 교류 전기장의 불균등한 분포로 인한 것이다. 특히, DEP힘은 전기장이 유도한 분극 전하와 불균등한 전기장 사이의 상호작용에 의하여 발생한다. 인가된 장에 의하여 자성입자(140)에서 분극전하가 유도되고, 발생한 쌍극자의 강도 및 방향은 물질종과 그 물질종이 떠 있는 미디어 간의 유전영동 특성 차이와 관련된다.DEP is the transfer of charge neutral material caused by the polarization effect in an uneven electric field. Due to the relatively easy operation of the electric field and the interface to integrated electronics, DEP is particularly advantageous for on-chip label manipulation. DEP forces are due to an uneven distribution of alternating electric fields on which species (eg, prokaryotic, eukaryotic, viral, molecular, particle, and multicellular individuals) lie. In particular, DEP forces are caused by the interaction between the polarized charge induced by the electric field and the unequal electric field. Polarization charges are induced in the magnetic particles 140 by the applied field, and the strength and direction of the generated dipoles are related to the difference in the genophoretic properties between the material species and the floating media.

DEP힘은 진행파 유전영동(traveling-wave dielectrophoresis, twDEP) 힘이거나 종래 유전영동(conventional dielectrophoresis, cDEP) 힘일 수 있다. twDEP 힘은 진행파 전기장으로부터 발생한 자성입자(140)상의 힘을 말한다. 진행파 전기장은 위상 수치에 있어서 불균등한 분포를 가지는 교류 전기장 성분으로 특징지어진다. cDEP 힘은 교류 전기장의 강도에 있어서의 불균등 분포로부터 발생된 자성입 자(140)상 힘을 말한다.The DEP force may be a traveling-wave dielectrophoresis (twDEP) force or a conventional dielectrophoresis (cDEP) force. The twDEP force refers to the force on the magnetic particles 140 generated from the traveling wave electric field. The traveling wave electric field is characterized by an alternating electric field component having an uneven distribution in phase values. The cDEP force refers to the force on the magnetic particle 140 generated from an uneven distribution in the strength of an alternating electric field.

교류의 전기 신호의 위상을 변경함으로써, 제2의 DEP 힘, 즉 진행파 DEP가 생성된다. cDEP 힘은 전기장의 공간적 불균등에 의존하고, 입자가 높은 전기장 세기의 영역으로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동하게 한다. twDEP 힘은 인가된 전기장의 위상 분포에 의존하고, 입자가 증가하는 위상 수치의 방향으로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동하게 한다. By changing the phase of the alternating electrical signal, a second DEP force, namely traveling wave DEP, is generated. The cDEP force depends on the spatial inequality of the electric field and causes the particles to move in the direction away from or near the region of high field strength. The twDEP force depends on the phase distribution of the applied electric field and causes the particles to move in a direction away from or in the direction of increasing phase value.

유전영동 장은 2 또는 그 이상의 전극 사이에 전압을 인가함으로써 발생된다. 전형적으로 상기 전극은 인가된 전기장이 불균등하거나 공간적 변이가 야기되어 유전영동 효과를 생성할 수 있는 위치로 배열된다. 따라서, 유전영동 장을 변화시킴으로써 입자를 조작할 수 있다. 동일한 주파수로 일부 구성성분이 네거티브 DEP를 경험하고 나머지가 포지티브 DEP를 경험할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다. Dielectrophoretic fields are generated by applying a voltage between two or more electrodes. Typically the electrodes are arranged in such a position that the applied electric field may be uneven or cause spatial variation to produce a dielectrophoretic effect. Thus, the particles can be manipulated by changing the electrophoretic field. The same frequency can provide a system in which some components experience negative DEP and others experience positive DEP.

효율적으로 원하는 물질종을 복잡한 혼합물로부터 분리하기 위해서, 일실시예에서, 목표 분석물의 유전영동 진폭 반응은 분석물을 크기가 다른 자성입자(140)로 표지하여 다른 분극 반응을 유지하도록 함으로써 조절할 수 있다. In order to efficiently separate the desired species from the complex mixture, in one embodiment, the electrophoretic amplitude response of the target analyte can be controlled by labeling the analyte with magnetic particles 140 of different sizes to maintain different polarization reactions. .

인가된 주파수에서 DEP힘의 크기 및 극성이 모두 각 입자 타입에 따라 다양하다는 사실은 바이오 입자의 선택적 조작 및 바이오입자의 분리를 위하여 교류 DEP를 사용하는 것에 있어서 중요한 의미를 가진다. 상이한 입자는 동일한 전기장 주파수에서 상이한 DEP반응을 가질 수 있기 때문이다. The fact that both the magnitude and polarity of the DEP force at the applied frequency varies with each particle type has significant significance in using alternating DEP for selective manipulation of bioparticles and separation of bioparticles. This is because different particles may have different DEP reactions at the same electric field frequency.

상기 방정식으로부터, DEP힘은 입자 부피에 비례하고, 따라서 입자들은 그 크기에 따라 분리될 수 있다는 것을 알 수 있다. 교류 유전영동에서 상기 힘은 인가 주파수에 의하여 조절될 수 있다. 상기 힘이 크기에 대하여 세제곱 의존관계가 있고, 유전율에 대하여 선형 의존관계가 있고, 힘의 크기 및 극성은 주파수와 의존관계가 있다. 본 발명의 일실시예는 이러한 특성을 이용하여 라벨 분리를 위한 플로우 스루 시스템(flow through system)을 설계하였다. From the equation, it can be seen that the DEP force is proportional to the particle volume, so that the particles can be separated according to their size. In alternating electrophoresis the force can be controlled by the frequency of application. The force is cube dependent on magnitude, linear dependence on permittivity, and magnitude and polarity of force are dependent on frequency. One embodiment of the present invention uses this feature to design a flow through system for label separation.

본 발명의 일실시예에 따른 방법 및 장치는 상이한 유전영동 핑거프린트를 가지는 라벨들 간, 또는 라벨링되지 않은 세포 또는 입자와 라벨링된 세포 또는 입자 사이의 유전영동 반응의 차이를 이용하기 위하여 설계, 제작되었다. The method and apparatus according to one embodiment of the present invention is designed and constructed to take advantage of the differences in genophoretic response between labels with different genophoretic fingerprints, or between unlabeled cells and particles and labeled cells or particles. It became.

또한, 자기장 경사 발생기(120)는 영구 자석 또는 전자석으로부터 외부 자기장을 인가하는 것을 포함할 수 있다.In addition, the magnetic field gradient generator 120 may include applying an external magnetic field from a permanent magnet or an electromagnet.

영구 자석은 니켈, 코발트, 철, 이들의 합금 및 합금됨으로써 강자성이 되는 비 강자성 물질들의 합금, 즉 Heusler 합금으로 알려진 합금(예를 들어, 구리, 주석 및 망간의 합금)으로부터 생성된다. 영구자석을 위한 많은 적절한 합금들은 알려져 있고, 본 발명의 일실시예에서 사용할 수 있는 자석 제작을 위하여 상업적으로 이용할 수 있다. 전형적인 그러한 물질은 전이금속-반금속(메탈로이드) 합금으로서, 전이금속(대개 Fe, Co, 또는 Ni) 약 80%와 녹는점을 낮춰주는 반금속 성분(보론, 탄소, 실리콘, 인 또는 알루미늄)으로부터 만들어진다. 영구 자석은 결정형 또는 무정형일 수 있다. 무정형 합금의 일실시예는 Fe80B20 (Metglas 2605)이다. Permanent magnets are produced from nickel, cobalt, iron, alloys thereof, and alloys of nonferromagnetic materials that become ferromagnetic by alloying, ie, alloys known as Heusler alloys (eg, alloys of copper, tin, and manganese). Many suitable alloys for permanent magnets are known and commercially available for making magnets that can be used in one embodiment of the present invention. Typical such materials are transition metal-semimetal (metalloid) alloys, with about 80% transition metals (usually Fe, Co, or Ni) and semimetal components that lower the melting point (boron, carbon, silicon, phosphorus or aluminum). Is made from Permanent magnets can be crystalline or amorphous. One example of an amorphous alloy is Fe 80 B 20 (Metglas 2605).

도 1의 실시예에서, 외부 자기장은 미세 유체 장치(130)의 분류 영역의 윗면 및 아래면에 부착된 직사각형(10 cm x 2.5 cm x 1 cm) NdFeB 자석 (K&J Magnetics, Jamison, PA) 에 의하여 제공된다. In the embodiment of FIG. 1, the external magnetic field is caused by rectangular (10 cm × 2.5 cm × 1 cm) NdFeB magnets (K & J Magnetics, Jamison, PA) attached to the top and bottom surfaces of the fractionation region of the microfluidic device 130. Is provided.

본 발명의 미세 유체 분리에 사용된 자성 포획 입자들은 많은 다양한 형태를 취할 수 있다. 일실시예에서는 초상자성 마이크로입자, 나노입자일 수 있고, 또다른 일실시예에서는 강자성 또는 상자성일 수 있다. Magnetic capture particles used in the microfluidic separation of the present invention may take many different forms. In one embodiment it may be superparamagnetic microparticles, nanoparticles, in another embodiment it may be ferromagnetic or paramagnetic.

일반적 제안으로서, 자성 입자(140)는 미세 유체 장치(130)에서 자기장에 노출되었을 때 유체 흐름의 방향으로부터 쉽게 방향전환될 수 있는 크기, 질량 및 자화성을 가진 것으로 선택되어야 한다(수력학 및 자기 효과의 균형). 일실시예에서, 자성입자(140)들은 자기장이 제거되었을 때는 자성을 보유하지 않는다. 전형적인 예에서, 자성 입자(140)는 직경이 약 10나노미터 내지 약 100나노미터인 산화철(Fe2O3 및/또는 Fe3O4)을 포함한다. 그러나, 다른 일실시예에서는 더욱 큰 자성 입자(140)도 사용 가능하다. 예를 들어, 배양중인 세포를 위하여 지지 미디어로 사용할 수 있을 정도로 큰 자성 입자(140)를 사용하는 것이 가능하다.As a general suggestion, the magnetic particles 140 should be selected to have a size, mass and magnetization that can be easily redirected from the direction of fluid flow when exposed to the magnetic field in the microfluidic device 130 (hydraulic and magnetic Balance of effects). In one embodiment, the magnetic particles 140 do not retain magnetism when the magnetic field is removed. In a typical example, magnetic particles 140 include iron oxides (Fe 2 O 3 and / or Fe 3 O 4 ) having a diameter of about 10 nanometers to about 100 nanometers. However, in other embodiments, larger magnetic particles 140 may also be used. For example, it is possible to use magnetic particles 140 large enough to be used as support media for cells in culture.

자성입자(140)는 미세유체 환경과 융화될 수 있고 특정 목표 분석물과 커플링 될 수 있는 물질로 코팅될 수 있다. 코팅의 예는 폴리머 쉘, 유리, 세라믹, 젤 등을 포함한다. 일실시예에서, 상기 코팅이 목표 분석물과 커플링 또는 물리적 결합을 촉진시키는 물질들로 코팅된다. 예를 들어, 마이크로 자성입자 상 폴리머 코팅은 항체, 핵산 서열, 아비딘 또는 바이오틴으로 코팅될 수 있다.Magnetic particles 140 may be coated with a material that can be compatible with the microfluidic environment and coupled with a particular target analyte. Examples of coatings include polymer shells, glass, ceramics, gels, and the like. In one embodiment, the coating is coated with materials that promote coupling or physical bonding with the target analyte. For example, the polymer coating on the micro magnetic particles may be coated with an antibody, nucleic acid sequence, avidin or biotin.

자성입자(140)의 제1군은 Miltenyi Biotec Corporation of Bergisch GladBach, Germany로부터 이용할 수 있는 것과 같은 나노입자일 수 있다. 이것들은 전형적으로 직경 약 10-100 나노미터의 범위에 있는, 코팅된 단일 도메인 산화철 입자로부터 제조된 상대적으로 작은 입자들이다. 이들은 특정 항체, 핵산, 단백질 등에 커플링된다.The first group of magnetic particles 140 may be nanoparticles such as those available from Miltenyi Biotec Corporation of Bergisch GladBach, Germany. These are relatively small particles made from coated single domain iron oxide particles, typically in the range of about 10-100 nanometers in diameter. These are coupled to specific antibodies, nucleic acids, proteins and the like.

자성 입자(140)의 제2군은 폴리스티렌과 같은 폴리머 매트릭스 내에 박혀있는 자성 나노입자로부터 제조된다. 이들은 전형적으로 매끄럽고 일반적으로 구형이다. 적절한 비드는 Invitrogen Corporation, Carlsbad, CA로부터 이용할 수 있다. 이러한 자성입자(140)들은 또한 특정 항체, 핵산, 단백질 등에 커플링된다. The second group of magnetic particles 140 is made from magnetic nanoparticles embedded in a polymer matrix such as polystyrene. These are typically smooth and generally spherical. Suitable beads are available from Invitrogen Corporation, Carlsbad, CA. These magnetic particles 140 are also coupled to specific antibodies, nucleic acids, proteins, and the like.

일실시예에서는 시료 물질의 고유 자성을 이용할 수 있다. 이 경우, 자성 입자(140)가 사용될 필요가 없다. 그러한 물질의 예는 에리스로사이트(erythrocyte), 산업용 소형 자성입자 등을 포함한다.In one embodiment, the intrinsic magnetism of the sample material may be used. In this case, the magnetic particles 140 need not be used. Examples of such materials include erythrocytes, industrial small magnetic particles, and the like.

흔히 사용되는 분류 버퍼는 인산 버퍼 식염수, 탈이온화수 등을 포함한다. 실제 버퍼 조성은 적용분야 및 시료, 목표 분석물의 특성에 따라 달라진다. 박테리아를 분류하기 위하여 사용된 일실시예에서는 버퍼가 1X PBS (인산 버퍼 식염수, phosphate buffered saline)/20% 글리세롤 /1% BSA (우혈청알부민) (부피기준)를 포함한다. Commonly used sorting buffers include phosphate buffered saline, deionized water and the like. The actual buffer composition will depend on the application and the nature of the sample and target analyte. In one embodiment used to classify bacteria, the buffer comprises 1 × PBS (phosphate buffered saline) / 20% glycerol / 1% BSA (bovine serum albumin) (volume basis).

본 발명의 미세 유체 탐지 위치를 위하여 필요한 유체 채널(100), 시료 주입구(150), 담체 미디어 주입구(170), 경유로(via), 펌프 등은 알려진 제작 기술을 이용하여 제작될 수 있거나(예를 들어 다양한 미세제작 절차에 의하여 제작), 필요에 따라 구입할 수 있다. 일실시예에서는, 실리콘 마스터에 전구체를 적용하고 경 화(cure)함으로써 제작된 실리콘 마스터 몰드의 PDMS 레플리카에 보로실리케이트(borosilicate) 유리 웨이퍼가 고정될 수 있다. 플라즈마 본딩이 유리 기재(180)를 PDMS 층에 결합시키기 위하여 사용할 수 있다. The fluid channel 100, sample inlet 150, carrier media inlet 170, vias, pumps, etc. required for the microfluidic detection location of the present invention may be fabricated using known fabrication techniques (e.g., For example, it can be manufactured according to various microfabrication procedures). In one embodiment, a borosilicate glass wafer may be secured to a PDMS replica of a silicon master mold fabricated by applying a precursor to the silicon master and curing it. Plasma bonding may be used to bond the glass substrate 180 to the PDMS layer.

유체흐름은 압력에 의해 추진되거나 전자동역학에 의해 추진될 수 있다. 압력에 의해 추진되는 흐름은 작은 부피의 미세유체에의 적용을 위하여 쉽게 사용할 수 있는 펌프(예를 들어 연동 펌프), 시린지 등에 의하여 발생된다. 일실시예에서, 시료 혼합물 및 분류 버퍼를 미세 유체 장치(130) 안으로 일정유속으로 배달하기 위하여, 프로그램할 수 있는 시린지 펌프(Harvard Apparatus PHD. 22/2000, Holliston. MA)가 사용된다. 미세채널 내 시료의 흐름은 CCD 카메라를 갖춘 역상 현미경(예를 들어 Olympus, Japan)과 같은 적절한 탐지기를 통하여 모니터될 수 있다.The fluid flow can be driven by pressure or by electrodynamics. The pressure-driven flow is generated by pumps (eg peristaltic pumps), syringes, etc., which are readily available for application to small volumes of microfluidics. In one embodiment, a programmable syringe pump (Harvard Apparatus PHD. 22/2000, Holliston. MA) is used to deliver the sample mixture and fractionation buffer at a constant flow rate into the microfluidic device 130. The flow of the sample in the microchannels can be monitored through a suitable detector such as an inverted microscope (eg Olympus, Japan) with a CCD camera.

전극 배열(110)은 유리와 같은 지지 기재(180) 상에 패턴된 백금, 금, 크롬과 같은 박막 전도체로 구성된 평면 배열이다. 이 배열은 알려진 광리소그래피 및 전자빔(e beam) 패턴 기술을 이용하여 제작될 수 있다. 이와 같은 전극배열(110), 또는 다른 형태의 전극 배열이 본 발명의 일실시예에 의한 분리기에서 DEP 힘을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 전극은 전자도금, 인쇄, 에칭 또는 채널 벽에 고정될 수 있고, 또는 신호 발생기에 결합되었을 때 플로우 채널에서 불균등한 전기장을 생성하기 위하여 플로우 채널 내 또는 주변에 위치한다. 일실시예에서, 담체 미디어로 사용된 용액에 따라 절연층이 사용될 수도 있고 안될 수도 있다. 절연층의 선택은 SiO2, Si3N4 등에 제한되지 않는다. The electrode array 110 is a planar array composed of thin film conductors such as platinum, gold, and chrome patterned on a supporting substrate 180 such as glass. This arrangement can be fabricated using known photolithography and e-beam pattern techniques. Such an electrode array 110, or other type of electrode array, may be used to provide DEP forces in the separator according to one embodiment of the present invention. The electrodes can be electroplated, printed, etched or fixed to the channel wall, or located in or around the flow channel to produce an uneven electric field in the flow channel when coupled to the signal generator. In one embodiment, an insulating layer may or may not be used depending on the solution used as the carrier media. The selection of the insulating layer is not limited to SiO 2 , Si 3 N 4, or the like.

전극 배열(110)에 교류 전압을 인가함으로써 불균등 전기장이 생성된다고 가정하자. 도 1은 부도체 기재(예를 들어 유리) 상에 패턴된 도체(예를 들어 금, 크롬 등의 박막)를 포함하는 전극 배열(110)을 나타낸다. 전극 배열(110)이 평행할 때 전극 간에 전기 전압이 인가된다면 주변 효과가 전극의 평면 위 및 아래에 공간적으로 불균등한 전기장이 생성된다. 이 주변 전기장 영역에 위치한 입자가 경험하는 유전영동 힘은 전극 배열(110) 평면으로부터 입자까지의 거리에 따라 달라질 것이다.Assume that an uneven electric field is generated by applying an alternating voltage to the electrode array 110. 1 shows an electrode array 110 comprising a conductor (eg, a thin film of gold, chromium, etc.) patterned on a non-conductive substrate (eg glass). If an electrical voltage is applied between the electrodes when the electrode arrays 110 are parallel, an electric field in which the peripheral effect is spatially uneven above and below the plane of the electrode is created. The electrophoretic force experienced by particles located in this surrounding electric field region will vary with the distance from the electrode array 110 plane to the particles.

본 발명의 일실시예에서, 마이크로 입자 중, 자성 마이크로 입자를 사용할 수 있다. 일실시예에서, 이 발명은 플로우 사이토메트리에 의한 단일 유체 시료의 다중 이종 결합 분석을, 고체와 액체 상의 분리를 용이하게 하기 위하여 고체 상으로서 고체 자성 입자를 사용하는 것과 조합할 수 있다. 그러한 마이크로 입자는 상기 설명한 차등 파라미터에 대하여 다양한 선택을 제공하고, 플로우 사이토메트리에 의하여 용이하게 분석되고 구별된다. 또한, 자성 마이크로 입자는 자기장에 의하여 액체 상으로부터의 분리 가능성을 제공한다. 각 그룹들은 실질적으로 겹치지 않고, 인접 그룹의 특징적인 특성의 평균 수치가 다른 그룹으로부터 충분히 떨어져 있어서 종래의 자동화된 탐지 방법에 의하여 각 그룹의 구별이 가능하다. 일실시예에서, 분석 반응제는 각 입자에 결합될 수 있는데, 실질적으로 각 그룹 내 모든 입자들은 같은 분석 반응제를 포함하고, 각 그룹은 인접 그룹과 다른 분석 반응제를 포함한다. 따라서, 상기 그룹은 그들의 특징적인 차등 파라미터뿐만 아니라 입자에 결합된 분석 반응제에 의해서도 구별가능하다. 또한, 자기적 분리는 세척 단계에서 유용하고, 포획된 항체가 분리된 후 첫 번째 고체 상으로부터의 상등액을 회수하는 것에 유용하다. 본 발명은 랩-온-칩에서 다중 분석 플랫폼을 구축하기 위한 새로운 분석 포맷을 제공할 수 있다. In one embodiment of the invention, of the microparticles, magnetic microparticles may be used. In one embodiment, the invention can combine multiple heterogeneous binding analysis of a single fluid sample by flow cytometry with the use of solid magnetic particles as the solid phase to facilitate separation of the solid and liquid phases. Such microparticles provide various choices for the differential parameters described above and are easily analyzed and distinguished by flow cytometry. Magnetic microparticles also offer the possibility of separation from the liquid phase by a magnetic field. The groups do not overlap substantially, and the average value of the characteristic characteristics of the adjacent groups is sufficiently separated from the other groups so that the groups can be distinguished by conventional automated detection methods. In one embodiment, the analytical reactant may be bound to each particle, substantially all of the particles in each group include the same analytical reactant, and each group includes a different analyte reactant than the adjacent group. Thus, the groups can be distinguished not only by their characteristic differential parameters but also by analytical reactants bound to the particles. Magnetic separation is also useful in the washing step and for recovering the supernatant from the first solid phase after the captured antibody has been separated. The present invention can provide a new analysis format for building multiple analysis platforms in a lab-on-chip.

이하, 입자 및 생물질의 분리에 관한 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 후술하는 실시예는 본 발명의 바람직한 일실시예일 뿐, 본 발명이 그러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention regarding the separation of particles and biomass will be described in more detail. However, the following embodiments are merely preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to such embodiments.

본 발명의 일실시예에 의한 장치의 모식도는 도 2에 나타난다. 작동하는 장치의 단면도가 도 2a에 나타난다. 자성입자(140)가 전극을 가로질러 흐를 때, FDEPz 는 z 방향을 따라서 작용하고, 인가된 흐름 속도는 자성입자(140)의 y방향을 따라서 작용한다. 자성입자가 전극 배열(110)에 의하여 가해진 유전영동힘 FDEPz 을 경험한 후, 그들의 유체 채널(100) 내 높이가 달라진다. 그러면, 그들은 다른 높이에서 자기영동 영역으로 진입하고 거기서 z 방향을 따라, 그러나 FDEPz 와는 반대로 자기영동 힘 FMAPz 을 경험한다. 인가된 속도는 V라고 해도, 구성요소 140은 DEP영역과 MAP영역에서 V1 및 V2 로서 속도 인자가 각각 다르다. 여기에서 자성입자(140)들은 자기장 경사 발생기(120)에 의하여 발생한 자기장에 의하여 유체 채널(100) 내의 특정 위치에서 수집된다. A schematic diagram of an apparatus according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. A cross-sectional view of the device in operation is shown in FIG. 2A. When the magnetic particles 140 flow across the electrode, F DEPz acts along the z direction, and the applied flow rate acts along the y direction of the magnetic particles 140. After the magnetic particles experience the dielectrophoretic force F DEPz exerted by the electrode array 110, the height in their fluid channel 100 is varied. Then they enter the magnetic migration area along the z direction at different heights and there, but the F DEPz contrast to experience the magnetic migration force F MAPz. Although the applied speed is V, component 140 has different speed factors as V 1 and V 2 in the DEP area and the MAP area, respectively. Here, the magnetic particles 140 are collected at a specific position in the fluid channel 100 by the magnetic field generated by the magnetic field gradient generator 120.

도 2b는 프로그램가능한 시린지 펌프에 의하여 흐름 속도가 인가되자마자 다른 크기의 자성입자(140)들이 유체 채널(100)을 따라 집중된 흐름을 달성하였음을 보여준다. 2B shows that as soon as the flow rate is applied by the programmable syringe pump, the magnetic particles 140 of different sizes achieve concentrated flow along the fluid channel 100.

도 2c는 DEP 장 영역에서 DEP힘에 기초한 다른 크기의 자성입자(140)의 분리를 보여준다. 자기장 경사 발생기(120)가 없는 경우, 자성입자는 MAP영역에 트래핑되지 않는다. 그 대신, 자성입자(140)에 작용하는 흐름 속도가 우세하기 때문에 입자들은 채널을 따라 흐른다.2C shows the separation of magnetic particles 140 of different sizes based on DEP forces in the DEP field region. In the absence of the magnetic field gradient generator 120, the magnetic particles are not trapped in the MAP region. Instead, the particles flow along the channel because the flow rate acting on the magnetic particles 140 is dominant.

도 2d는 자성입자(140)가 DEP 힘을 경험한 후에, 그들이 다른 높이에서 MAP 영역으로 진입하는 것을 보여준다. 자기장 경사 발생기(120)에 의하여 발생한 자기장은 자성입자(140)가 유체 채널(100) 내 상이한 특정 위치에서 트래핑되도록 한다. 2D shows that after magnetic particles 140 experience DEP forces, they enter the MAP region at different heights. The magnetic field generated by the magnetic field gradient generator 120 causes the magnetic particles 140 to trap at different specific locations within the fluid channel 100.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 장치의 구성요소를 각각 보여주는 그림이다. 1 is a diagram showing each component of an apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 장치의 작동하는 모습의 단면도이다. 2A is a cross-sectional view of a device in operation in accordance with one embodiment of the present invention.

도 2b는 흐름 속도가 인가되자마자 입자들이 채널을 따라 집중된 흐름을 달성하는 것을 보여주는 그림이다.FIG. 2B is a diagram showing that particles achieve a concentrated flow along the channel as soon as a flow rate is applied.

도 2c는 DEP 장 영역에서 DEP힘에 기초한 입자들의 분리를 보여주는 그림이다. 2C is a plot showing the separation of particles based on DEP forces in the DEP field region.

도 2d는 입자들이 DEP 힘을 경험한 후에, 다른 높이에서 MAP 영역으로 진입하는 것을 나타내는 그림이다. 2D is a plot showing that particles enter the MAP region at different heights after experiencing DEP forces.

* 주요 부분에 대한 설명** Description of the main parts *

100: 유체 채널100: fluid channel

110: 전극 배열110: electrode array

120: 자기장 경사 발생기120: magnetic field gradient generator

130: 미세 유체 장치130: microfluidic device

140: 자성입자140: magnetic particles

150: 시료 주입구150: sample inlet

160: 배출구160: outlet

170: 담체 미디어 주입구170: carrier media inlet

180: 기재180: substrate

Claims (18)

둘 이상의 전극을 포함하는 전극 배열(110);An electrode array including two or more electrodes; 상기 전극배열을 가로지르는 방향으로 배치된 유체 채널(100); 및A fluid channel 100 disposed in a direction crossing the electrode array; And 상기 유체 채널의 위 또는 아래에서 상기 전극배열과 겹치지 않도록 배치된 자기장 경사 발생기(120)를 포함하는 물질종(species) 다중(multiplex) 탐지 장치.A device for detecting multiplex devices comprising a magnetic field gradient generator (120) disposed above or below the fluid channel so as not to overlap the electrode array. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 자기장 경사 발생기(120)가 전극 배열(110)과 같은 쪽에 배치되거나, 전극 배열(110)과 반대쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 장치.The magnetic field gradient generator (120) is disposed on the same side as the electrode array (110), or multiple substance detection device, characterized in that disposed on the opposite side of the electrode array (110). 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 전극 배열은 맞물림 형태 배열(interdigitated) 또는 성 형태 배열(castellated)인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 장치.And the electrode array is an interdigitated or castellated array. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 전극 배열은 지지 기재 상에 패턴되어 있는 백금, 금 또는 크롬으로 구성된 박막 형태인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 장치.And the electrode array is in the form of a thin film composed of platinum, gold or chromium patterned on a supporting substrate. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 자기장 경사 발생기는 강자성 물질로 구성되고, 영구자석 또는 전자석인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 장치. The magnetic field gradient generator is composed of a ferromagnetic material, characterized in that the multi-material species detection device, characterized in that the permanent magnet or electromagnet. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 장치를 이용하는 물질종(species) 다중 탐지 방법으로서,A method for multiplexing species species using the device of any one of claims 1 to 5, 둘 이상의 물질종을 포함하는 시료를 유체 채널로 주입하는 단계;Injecting a sample comprising two or more species into a fluid channel; 액체상 담체 미디어를 유체 채널로 주입하는 단계;Injecting the liquid carrier media into the fluid channel; 전극배열에 교류 전압을 인가하는 단계;Applying an alternating voltage to the electrode array; 상기 전극배열로부터 발생한 유전영동 힘(dielectrophoretic force)으로 채널 내에서 상기 시료 내 물질종을 부양시키는 단계; 및Supporting material species in the sample in a channel with a dielectrophoretic force generated from the electrode array; And 상기 부양된 물질종을 채널 내 자기장 영역으로 이동시켜 자기영동 힘으로 일 위치에 트래핑하는 단계를 포함하는 물질종 다중 탐지 방법.Moving the supported species to a magnetic field region within the channel and trapping at one location with a magnetophoretic force. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 유전영동 힘(dielectrophoretic force)으로 채널 내에서 상기 시료 내 물질종을 부양시키는 단계는, 물질종을 각각 상이한 높이로 부양시키는 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.Suspending the material species in the sample in the channel with the dielectrophoretic force, characterized in that to support the material species to each different height. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 유전영동 힘(dielectrophoretic force)으로 채널 내에서 상기 시료 내 물질종을 부양시키는 단계는, 같은 크기의 물질종을 같은 높이로 부양시켜 배열시키는 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.Suspending the material species in the sample in the channel with the dielectrophoretic force, the material species multiple detection method characterized in that to arrange the material of the same size to the same height. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 시료 및 액체상 담체 미디어를 유체 채널로 주입한 후, 흐름 속도(flow velocity)를 인가하는 단계를 더 포함하는 물질종 다중 탐지 방법.Injecting the sample and liquid carrier media into a fluid channel, and then applying a flow velocity. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 흐름속도 인가는 펌프 또는 시린지를 이용하는 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.The flow rate application is a multiple species detection method, characterized in that using the pump or syringe. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 물질종은 생물질(biomaterial)이고, 상기 시료는 생체시료인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.The material species is a biomaterial (biomaterial), the sample is a multiplex detection method, characterized in that the biological sample. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 상기 생물질은 바이러스, 박테리아, 세포, 세포 내 기관, 분자 또는 다세포개체인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법. The biomaterial is a virus, bacteria, cells, intracellular organs, molecules or multicellular entities, characterized in that the multiple species detection method. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 물질종은 자성있는(magnetic) 고체상에 결합된 형태이고, 상기 고체상에는 원하는 물질종에서만 선택적으로 활성을 가지는 분석 반응제가 커플링되어 있는 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.The mass species is in a form coupled to a magnetic solid phase, wherein the solid phase is coupled to an analyte reactant which is selectively active only in the desired substance species. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 고체상은 초상자성, 강자성 또는 상자성인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.And said solid phase is superparamagnetic, ferromagnetic or paramagnetic. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 고체상은 직경이 10나노미터 내지 100나노미터인 입자인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.Wherein said solid phase is a particle having a diameter of 10 nanometers to 100 nanometers. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 분석 반응제는 항체, 핵산 또는 단백질인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.The method of detecting multiple species, characterized in that the assay reagent is an antibody, nucleic acid or protein. 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 물질종이 고체상에 결합된 형태는 하나의 물질 종이 복수 개의 고체상에 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.The material species bound to the solid phase is a material species multiple detection method, characterized in that the form of a single material species bound to a plurality of solid phases. 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 물질종이 결합되는 고체상은 하나 이상의 종류인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.The multiple species detection method, characterized in that the solid phase to which the species are bound is one or more kinds.
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101338291B1 (en) * 2010-10-01 2013-12-09 인제대학교 산학협력단 Apparatus and method for separating microparticles by controlling the dielectrophoresis and magnetophoresis
CN103869072A (en) * 2014-01-22 2014-06-18 东南大学 Magnetic field assisted dielectrophoresis enrichment method for nanoparticle labeled immunodetection
KR20180000081A (en) * 2016-06-22 2018-01-02 경희대학교 산학협력단 Microvalve
KR101888636B1 (en) * 2017-06-02 2018-08-14 지트로닉스 주식회사 Magnetophoresis biochip
KR20220010970A (en) * 2020-07-20 2022-01-27 광주과학기술원 An apparatus for microorganism detection using dielectrophoresis force
CN114276409A (en) * 2021-12-24 2022-04-05 上海天能生命科学有限公司 Electromagnetic composite biomacromolecule separation technology and equipment
KR20220073575A (en) * 2020-11-26 2022-06-03 광주과학기술원 System for detecting microorganism
KR20220106271A (en) * 2021-01-21 2022-07-29 포항공과대학교 산학협력단 Appratuses for seperation using the magnetically driven internal reflux of magnetic particles inside a fluidic channel and methodes using thereof
EP4086618A1 (en) * 2014-01-15 2022-11-09 Caliper Life Sciences, Inc. System of microfluidic immunoassay using magnetic beads

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004503775A (en) * 2000-06-14 2004-02-05 ボード・オブ・リージェンツ,ザ・ユニヴァーシティ・オヴ・テキサス・システム Method and apparatus for the operation of combined magnetophoresis and dielectrophoresis of analyte mixtures
KR100791036B1 (en) * 2006-07-07 2008-01-03 한국과학기술원 Separation method of pure carbon nanotubes from carbon nanotubes containing metal impurities using continuous magnetophoresis and microfluidic devices used therefor

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101338291B1 (en) * 2010-10-01 2013-12-09 인제대학교 산학협력단 Apparatus and method for separating microparticles by controlling the dielectrophoresis and magnetophoresis
EP4086618A1 (en) * 2014-01-15 2022-11-09 Caliper Life Sciences, Inc. System of microfluidic immunoassay using magnetic beads
CN103869072A (en) * 2014-01-22 2014-06-18 东南大学 Magnetic field assisted dielectrophoresis enrichment method for nanoparticle labeled immunodetection
KR20180000081A (en) * 2016-06-22 2018-01-02 경희대학교 산학협력단 Microvalve
KR101888636B1 (en) * 2017-06-02 2018-08-14 지트로닉스 주식회사 Magnetophoresis biochip
WO2018222021A1 (en) * 2017-06-02 2018-12-06 Zitronics Inc. Magnetophoresis biochip
KR20220010970A (en) * 2020-07-20 2022-01-27 광주과학기술원 An apparatus for microorganism detection using dielectrophoresis force
KR20220073575A (en) * 2020-11-26 2022-06-03 광주과학기술원 System for detecting microorganism
KR20220106271A (en) * 2021-01-21 2022-07-29 포항공과대학교 산학협력단 Appratuses for seperation using the magnetically driven internal reflux of magnetic particles inside a fluidic channel and methodes using thereof
CN114276409A (en) * 2021-12-24 2022-04-05 上海天能生命科学有限公司 Electromagnetic composite biomacromolecule separation technology and equipment

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